CN106537596A - 高分辨率高量子效率的电子轰击的ccd或cmos成像传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于检测低光信号的电子轰击检测器，其包含：真空管结构，其界定圆柱形真空管腔室；光电阴极，其安置在所述真空管腔室的第一端处；传感器，其安置在所述真空管腔室的第二端处；环电极，其安置在所述真空管腔室中用于产生使所发射的光电子朝向所述传感器加速的电场；及磁场产生器，其经配置以产生施加聚焦透镜效应于所述光电子上的对称磁场。所述环电极及所述磁场产生器是使用缩短距离聚焦方法及加速/减速方法中的一者而操作，使得所述光电子具有低于2keV的着靶能量。反射模式光电阴极的使用是使用多极偏转器线圈或由分段圆形电极结构形成的环电极而实现。大角度偏转是使用磁偏转器或静电偏转器而实现。

Description

高分辨率高量子效率的电子轰击的CCD或CMOS成像传感器
本发明的相关申请案
本申请案主张蒋西曼(Ximan Jiang)等人在2014年7月22日申请的标题为“高分辨率高量子效率的电子轰击的CCD或CMOS成像传感器(HIGH RESOLUTION HIGH QUANTUMEFFICIENCY ELECTRON BOMBARDED CCD OR CMOS IMAGING SENSOR)”的第62/027,679号美国临时申请案的优先权，且其全部内容特此以引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及光学装置领域，且更特定来说，涉及电子轰击成像传感器。
背景技术
图像增强器是真空管装置，所述真空管装置增大光学系统中的可用光的强度以促进低光过程的视觉成像，例如x射线或伽马射线中材料的荧光(x射线图像增强器)，或将非可见光源(例如近红外线或短波红外线)转换为可见光。
基于微通道板(MCP)及接近聚焦概念的图像增强器可提供归因于MCP放大的高增益、低失真及跨整个视野的均匀分辨率。然而，基于MCP的图像增强器往往对于许多关键应用具有相对较差的分辨率。此外，MCP可能阻挡光电阴极正后方多达40％的光电子。因此，基于MCP的图像增强器的检测量子效率通常较低。
为实现较高检测量子效率，可利用基于静电聚焦透镜或组合式磁性-静电聚焦光学器件的增强管。此类图像增强器通常具有比基于MCP的图像增强器好得多的检测器量子效率(DQE)及分辨率。然而，在非晶磷光体闪烁层中散射的电子及光子仍可使最终分辨率降级。此外，需要光纤板或中继光学透镜来将磷光屏幕上发射的光传送到最终成像装置(例如电荷耦合装置(CCD)或互补金氧半导体(CMOS))。分辨率及增益可在此耦合阶段处进一步降级。为收集尽可能多的光，可能需要高数值孔径(NA)中继透镜。高NA及大视野(FOV)光学器件需要具有大直径及长轮廓的中继透镜。此类中继光学器件的成本可能变高。此收集方案中的浅聚焦深度是另一问题。所有这些缺陷增加了光学对准及现场维修的挑战性。
为克服基于增强器的检测器中的这些问题，将例如CCD传感器或CMOS传感器的像素化图像传感器放置在磷光屏幕位置上以直接收集从光电阴极发射的光电子。这些种类的检测器通常被称作电子轰击CCD(EBCCD)检测器或电子轰击CMOS(EBCMOS)检测器。EBCCD或EBCMOS装置免除了磷光屏幕中的电子-光子转换步骤及磷光体与CCD传感器或CMOS传感器之间的昂贵耦合装置。
多数当前EBCCD/EBCMOS检测器是基于接近聚焦方法而设计以简化设计、降低功率需求及使检测器紧凑。在(例如)1994年6月14日颁予木下胜之(Katsuyuki Kinoshita)及稻垣善则(Yoshinori Inagaki)的第5,321,334号美国专利及于2001年9月4日颁予沃勒W.阿比(Verle W.Aebi)等人的第6,285,018号美国专利中揭示接近聚焦EBCCD/EBCMOS。
图1中展示接近聚焦EBCCD的概念图。光电阴极层101涂布在玻璃衬底100上。CCD/CMOS芯片104面向光电阴极101放置在封装衬底105上。整个封装是由灌封材料103密封以形成真空密封管。传统的EBCCD/EBCMOS装置中的光电阴极通常为透射模式的形式。其意味传入光子将行进通过玻璃窗且照明具有到玻璃衬底的界面层的侧上的光电阴极层。当传入光子照明时，从光电阴极层的真空侧表面发射光电子102，接着将由施加于光电阴极层与传感器表面之间的偏置电压106使光电子102加速。
当从光电阴极发射光电子时，光电子的初始速度通常具有法向于光电阴极平面的分量及平行于光电阴极平面的分量。平行于光电阴极平面的速度分量将产生起源于光电阴极平面上的相同点的电子云的横向散布。横向散布的广度与初始横向速度及光电阴极与CCD/CMOS传感器之间的行进时间成比例。为减小横向散布，减小初始横向速度且缩短行进时间是重要的。初始横向速度是由传入光子能量、光电阴极功函数及带隙结构确定。光电阴极与传感器之间的行进时间是由它们之间的间隙及加速电压而确定。较窄间隙及较高加速偏置电压将导致较短的行进时间，因此导致更好的分辨率。然而，较窄间隙及较高偏置电压意味着光电阴极与传感器之间的较高电场强度。如果电场强度接近2kV/mm～4kV/mm，那么电弧效应的风险取决于真空压力、表面光滑度及材料而显著增大。为得到子像素分辨率，间隙需如此小，使得尤其在薄型背照式传感器上的CCD/CMOS芯片的不平坦度变大。此不均匀间隙可能导致分辨率变化、局部失真及增大的电弧效应的风险。
如果间隙无法减小，那么必须增大偏置电压以提高分辨率。然而，传感器内部的较高能量电子将增大X射线产额(X-ray yield)且通过归因于增大的缺陷密度增大暗电流及热像素及减小增益而损坏CCD/CMOS传感器。为提高EBCCD/EBCMOS传感器的寿命，最好将光电子在CCD/CMOS芯片上的着靶能量保持为低于1keV或2keV。因此，在提高寿命与提高接近聚焦EBCCD/EBCMOS上的分辨率之间存在冲突要求。为以低着靶电子能量实现高增益，在薄型背照式EBCCD/EBCMOS上涂敷硼涂层而非氧化物涂层。在2013年10月10日颁予陈金华(Jehn-Huar Chen)等人的第2013/0264481号美国公开专利申请案中已揭示硼涂布的背照式传感器。
为提高分辨率，在1994年6月14日颁予木下胜之等人的第5,321,334号美国专利及由S.波特坡(S.Buontempo)等人在1998年8月在《核仪器及方法A(Nuclear Instrumentsand Methods A)》第2到3期第255页中公布的研究论文中已揭示静电聚焦混合式EBCCD设计。然而，静电聚焦真空管通常具有不良聚焦均匀度或不平坦物体/图像平面及高图像失真。此类缺陷限制了其在高分辨率时延积分(TDI)成像传感器中的应用。举例来说，失真可被呈现为TDI模式成像传感器中的模糊。
在2013年6月13日公布的颁予庄永和·亚历克斯(Yung-Ho Alex Chuang)等人的第2013/0148112A1号美国专利公开案中揭示提高EBCCD/EBCMOS分辨率的另一尝试。所揭示方法涉及在光电阴极与传感器之间插入具有微透镜阵列的聚焦板。然而，从光电阴极发射的许多光电子将可能被聚焦板上的封闭区域阻挡。因此，此方法可能减小整个EBCCD/EBCMOS的检测量子效率(DQE)。
EBCCD/EBCMOS装置的总DQE主要是由光电阴极的量子效率(QE)确定。在透射模式光电阴极中，光子主要被吸收在光电阴极的前侧上。接着，光电阴极层内部的高能电子(energetic electron)需要在其可逸出由功函数产生的能量势垒之前扩散到光电阴极的真空侧。高能电子的动量可能在所述两个表面之间的扩散过程期间损失。在反射模式光电阴极中，光子被吸收在光电阴极的真空侧上。高能电子可即刻在靠近相同位置处逸出光电阴极。因此，反射模式光电阴极通常具有显著较高的量子效率。
众所周知，与对应的透射模式光电阴极相比，反射模式光电阴极可实现高超过50％到100％的量子效率(QE)。举例来说，由石垣郎(Yoshihiro Ishigami)等人于2012年在国际光学工程学会会刊(Proceedings of SPIE)第8359卷中公布的研究论文比较反射模式及透射模式中的GaN光电阴极的QE。对于266nm光子，GaN光电阴极的QE在反射模式中可高达37％。然而在透射模式中，QE将降低到17％。以传统的接近聚焦EBCCD/EBCMOS实施反射模式光电阴极而不通过增加管长度而显著牺牲分辨率几乎是不可能的。C.B.奥珀尔(C.B.Opal)及G.R.卡拉瑟斯(G.R.Carruthers)已在1989年的国际光学工程学会会刊第1158卷第96页到103页中报告反射模式倾斜磁场聚焦EBCCD/CMOS装置以提高分辨率及量子效率。此装置具有相对于加速电场轴倾斜的磁场。倾斜磁场可使光电子偏转而偏离法向轴且将光电子聚焦到不位于法向轴上的传感器。整体装置体积庞大。对于许多高分辨率TDI成像应用(例如半导体缺陷检验装备)，倾斜聚焦设计中的聚焦像差及几何失真可能太高。
需要可实现高空间分辨率、低着靶能量及高增益的EBCCD/CMOS装置。此外，需要一种EBCCD/CMOS装置，其即使在所述传感器具有几十微米或大约百微米的不平坦度的情况下仍可实现这些要求。
发明内容
本发明涉及电子轰击检测器(例如，EBCCD或EBCMOS检测器)，其利用各种新颖的结构及方法以实现高分辨率电子光学器件及低着靶能量(例如，2keV或更低)两者，由此提供高质量低光成像并使CMOS或CCD图像传感器的操作寿命最大化。
使用两种基本方法以按低着靶能量获得高分辨率电子光学器件。在每一情况中，利用环电极以在光电子离开光电阴极时使光电子加速，且利用磁场产生器以在光电子行进通过光电阴极与传感器之间的真空腔室时对光电子产生聚焦透镜效应。第一种方法是使光电阴极与传感器之间的距离为大约10mm到20mm，即显著长于传统的接近EBCCD中的间隙(通常小于0.5mm)且显著短于具有磷光屏幕的磁性聚焦图像增强器(通常>40mm)的距离，借此光电子在相对较低加速电场处加速以产生所要低着靶能量。在此情况中，由具有3安培或更小的电流的螺线管或永久磁铁产生额外磁场以实现高分辨率电子光学器件。在第二种基本方法中，靠近光电阴极的环电极接收循序增大电压，使得光电子在沿真空管腔室的短距离内加速到峰值能量，且靠近CCD/CMOS传感器的环电极接收循序减小电压，使得光电子从峰值能量减速到所要低着靶能量。
揭示透射模式实施例及反射模式实施例两者。在一些反射EB检测器中，利用电偏转场或磁偏转场以使光电子偏转到离轴传感器。在一些实施例中，环电极中的一或多者包括包含两个或多于两个电隔离弯曲区段的分段圆形电极结构，且在每一弯曲区段上施加不同电压以产生偏转电场。在其它实施例中，在真空管结构与永久磁铁或螺线管之间安置多极偏转器线圈，其中多极偏转器线圈经配置以产生偏转磁场。在大角度反射模式应用中，利用静电偏转器或磁偏转器以使光电子偏转到大于大约30度的离轴角度。
本发明还涉及一种包含上文描述的类型的一或多个EB(CCD或CMOS)检测器的暗场检验系统及一种光学系统，所述光学系统经配置用于将光引导到被检验样本、用于收集从样本散射的光且用于将所收集光引导到EB检测器。
附图说明
参考以下描述、所附权利要求书及附图将变得更好地了解本发明的这些及其它特征、方面及优点，其中：
图1是展示传统接近聚焦EBCCD的横截面侧视图；
图2是展示根据本发明的实施例的透射模式磁性聚焦EBCCD/EBCMOS的横截面侧视图；
图3A是展示在加速管实施例中沿管长度的光电子的能量的图；
图3B是展示根据本发明的实施例的具有缩短距离配置的透射模式磁性聚焦EBCCD/EBCMOS的横截面侧视图；
图4是展示在减速管实施例中沿管长度的光电子的能量的图；
图5是展示根据本发明的另一实施例的具有静电偏转的反射模式ECCD/EBCMOS的横截面侧视图；
图6(A)是展示被划分为两个电极以充当双极偏转器及环电极两者的圆形环电极的俯视图；
图6(B)是展示被划分为六段以充当六极偏转器及环电极两者的圆形环电极的俯视图；
图7是展示根据本发明的另一实施例的具有磁场偏转的ECCD/EBCMOS的横截面侧视图；
图8是大偏转角度反射模式EBCCD/EBCMOS设计的示意图；
图9A及9B分别是展示根据本发明的其它实施例的包含EBCCD/EBCMOS检测器的表面检验设备的顶部-正面透视图及侧视图；及
图10是展示根据本发明的另一实施例的包含多个EBCCD/EBCMOS检测器的暗场晶片检验系统的简化侧视图。
具体实施方式
本发明涉及用于低光信号检测的电子轰击检测器的改进。呈现以下描述以使得所属领域的一般技术人员能够如特定应用及其要求的背景中规定那样制作并使用本发明。所属领域的技术人员将明白对优选实施例的各种修改，且本文定义的一般原理可应用于其它实施例。因此，本发明不希望受限于所展示及描述的特定实施例，而是符合与本文揭示的原理及新颖特征致的最宽范围。
图2是展示电子轰击检测器(EB检测器)200(例如EB-CCD或EB-CMOS检测器)的横截面侧视图，其说明根据本发明的实施例的示范性透射模式电子轰击检测器。EB检测器200通常包含真空管结构201、光电阴极101、传感器104、环电极E1到En、磁场产生器210及控制器220。真空管结构201包含圆柱形壁202、第一端壁203及第二端壁204，其共同形成(界定)具有圆形第一端205-1及相对圆形第二端205-2的圆柱形真空气密管腔室205。圆柱形壁202、第一端壁203及第二端壁204是使用已知的刚性材料(例如陶瓷、硅、玻璃或塑料)构造。在图2的透射模式实例中，照明窗206(例如，玻璃、光学晶体或透明塑料)安置在第一端壁203上。
光电阴极101及传感器104安置在真空管腔室205的相对端处，其中光电阴极101经定位以响应于低光信号(光子)产生光电子，且传感器104经定位以在所发射的光电子以下文描述的方式跨过真空管腔室205加速之后捕获所述所发射的光电子。光电阴极101安置在第一端壁203的内表面上(即，真空管腔室205的第一端205-1处)且包含响应于所述低光信号发射光电子的一或多种材料。在替代实施例中，光电阴极101包含一或多种碱基材料、氮化镓(GaN)或砷化镓(GaAs)或碲化铯(CsTe)或包含这些材料中的两者或更多者的组合。传感器104安置在真空管腔室205的第二端205-2处，且经配置以接收至少一些所发射的光电子且响应于所接收光电子产生电信号S。在替代实施例中，传感器104是电荷耦合装置(CCD)图像传感器或CMOS图像传感器。在一个实施例中，传感器104是经配置以使用时延积分(TDI)产生图像信息的类型(例如TDI CCD)以提供较高速度。在一个实施例中，传感器104是薄型背照式CMOS传感器或薄型背照式CCD传感器，以增大光子转光电子转换效率且由此改进低光性能。在另一实施例中，硼涂层安置在传感器104的面朝光电阴极101的表面上以实现低着靶电子能量下的高增益并提高传感器的操作寿命。切尔尼(Chern)等人于2013年3月10日申请的第13/792,166号美国专利申请案及萨瑞贝(Sarubbi)等人的“用于受控的纳米深p+-n结形成的a-硼层在硅上的化学气相沉积(Chemical vapor deposition of a-boronlayers on silicon for controlled nanometer-deep p+-n junction formation)”(《电子材料期刊(J.Electron.Material)》第39卷，第162到173页，2010年)中可找到关于传感器的硼涂层的更多细节。这些文件两者皆以引用方式并入本文中。
环电极E1到En及磁场产生器210(例如，磁螺线管、永久磁铁或两者)经配置以使所发射的光电子朝向传感器104加速且使经加速的光电子聚焦，使得其以类似于其产生的模式的模式到达传感器104。电极E1、E2、E3、……、En分别从控制器220接收电压V1、V2、V3、……、Vn，借此在EB检测器200内产生加速等电势分布(由大致上垂直的长虚线指示)，所述加速等电势分布使所发射光电子朝向电子传感器102加速。控制器220经配置以产生并传输电压V1、V2、V3、……、Vn到电极E1、E2、E3、……、En，使得施加于邻近光电阴极101的电极(例如电极E1及E2)上的电压(例如，V1及V2)经调整，以例如通过在光电阴极101附近产生高强度电场，接着在传感器104附近产生相对较低电场，来补偿电子光学像差。此电场分布产生发散(负)透镜效应且补偿由磁性聚焦场产生的正光学像差。磁场产生器210包围真空管结构201，使得整个管结构浸没在由螺线管线圈(例如，响应于由控制器220产生的螺线管控制电流IS)及/或形成磁场产生器210的永久磁铁产生的轴向对称磁场中(展示为图2中的大致上水平小虚线)。如图2中指示，轴向对称磁场经形成，使得从偏离管轴的位置发射的两个光电子(例如，光电子PE2及PE3)及在靠近轴处发射的光电子(例如，光电子PE1)通过调整光电阴极101周围的电场而被聚焦在传感器104上的相同平面处以产生发散(负)透镜效应来补偿由磁场产生的正光学像差。
参考图2的左侧，在操作期间，穿透照明窗206接收的低光信号LLS(即，照明)照射在光电阴极101上，致使光电阴极101发射光电子(例如，光电子PE1、PE2及PE3)。一旦光电子从光电阴极101发射，所述光电子就通过由电极E1、E2、E3、……、En产生的电场跨光电阴极101与固态传感器104之间的空间加速，且以低着靶能量到达传感器104处，同时维持高分辨率电子光学器件。根据本发明的方面，电子轰击检测器200经配置以按低着靶能量实现高分辨率电子光学器件(即，使得到达传感器104处的所述光电子具有低于2keV的着靶能量)。相比之下，在常规聚焦图像增强器(例如，例如第2014/0063502 A1号美国公开专利申请案中揭示的聚焦图像增强器)中，光电子的着靶能量通常显著高于20keV以在闪烁体屏幕上产生足够的光子。此高着靶能量可在EBCCD/EBCMOS装置中迅速地损坏CCD传感器或CMOS传感器。
根据替代实施例，本发明利用两种基本方法以按低着靶能量获得高分辨率电子光学器件：下文参考图3A及3B描述的缩短距离方法，及下文参考图4描述的加速/减速方法。
缩短距离聚焦方法涉及缩短光电阴极平面与传感器平面之间的距离，同时维持其之间的加速电场使得具有2keV或更小的着靶能量的光电子到达传感器平面处。如由图3A中所展示的曲线图指示，光电子能量沿光电阴极平面与传感器平面之间的飞行路径不断增大。光电子被加速得越来越快直到其以着靶能量ELE击中半导体传感器。离轴光电子(例如图2中所展示的光电子PE2及PE3)在靠近光电阴极区域的位置处比轴上光电子(例如光电子PE1，图2)更快地加速。
图3B说明根据缩短距离聚焦方法的一个示范性实施方案的EB检测器200A，其中真空管结构201A包含界定圆柱形管腔室205A的减小长度圆柱形壁202A，所述圆柱形管腔室205A具有大于光电阴极101与传感器104之间的距离d的半径r。在示范性实施例中，半径r是20mm且距离d是14mm。控制器220A施加2.4安培的电流IS于磁场产生器210A的螺线管211A(其还包含任选永久磁铁212A)且还施加适当的偏置电压V1到V3于每一环电极E1到E3，使得电场小于0.25kV/mm。在传统的接近EBCCD/EBCMOS中，光电阴极与传感器之间的间隙可小于0.5mm，且电场可能需高于2.5kV/mm以实现合理的分辨率。与传统的接近EBCCD/EBCMOS相比，此减小长度磁性聚焦EBCCD/EBCMOS管中的分辨率已在大30倍的间隙处提高达3倍。示范性装置中的电场仅为0.086kV/mm。电弧效应的风险是可忽略的。与传统的接近EBCCD/EBCMOS相比，此申请案中揭示的磁性聚焦EBCCD/EBCMOS装置完全消除高电压电弧效应的风险并实现提高许多的分辨率。此示范性EBCCD/EBCMOS装置的聚焦深度可大于100微米，其足够大以处置许多薄型背照式EBCCD/EBCMOS装置的不平坦度。薄型背照式半导体传感器中的不平坦度归因于短间隙(<0.5mm)而对于传统的接近EBCCD/EBCMOS来说是严重的问题。此缩短距离磁性聚焦方法可补偿传感器平面上的场曲率像差。最终分辨率对光电阴极平面周围的电场强度非常敏感。电场强度越高，分辨率越好。然而，需要短的管长度来实现相同偏置电压下的较高电场强度。短的管长度需要较高磁性聚焦场强度。其可增大螺线管或永久磁铁的直径。在具有有限可用空间的应用中，大的永久磁铁是不合意的。
图4说明根据加速/减速方法的示范性光电子能量。在此方法中，光电子加速到大体上高于最终着靶能量ELE的峰值能量Epeak，接着在到达传感器平面之前减速到最终着靶能量ELE。举例来说，光电子加速到峰值能量Epeak(其可为10keV或更大)，且接着减速使得其着靶能量ELE是2keV或更低。在加速/减速方法的一个实施例中，通过施加循序增大电压于经定位邻近光电阴极的第一群组的电极而维持光电阴极周围的高加速电场强度，以得到更好分辨率，且通过施加循序减小电压于经定位邻近传感器的第二群组的电极而实现感测平面周围的减速电场强度。举例来说，利用图4作为参考，控制器220经配置以产生电压V1到V3(其分别施加于(第一)电极E1到E3)，使得V3>V2>V1，借此光电子如图4中所展示的曲线图的左半部分中描绘那样加速到峰值能量Epeak。控制器220还经配置以产生电压V4、V5及Vn(其分别施加于(第二)电极E4、E5及En)，使得V4>V5>Vn，借此光电子如图4中所展示的曲线图的右半部分中描绘那样从峰值能量Epeak减速到传感器处的着靶能量ELE。为产生近似10keV的峰值能量，在光电阴极上施加介于-200V到-2kV之间的偏置电压，传感器保持为接地电势，且施加于电极E3的偏置电压V3等于或高于+10keV。在利用加速/减速方法的检测器中从光电阴极101到传感器104的总管长度可超过以相同的最终光电子着靶能量且具有相同分辨率能力的对应加速管长度的长度的两倍。利用加速/减速方法的检测器中的磁场的聚焦长度可显著长于利用仅加速方法的检测器的聚焦长度(例如产生类似于图3A中所展示的光电子能量曲线的光电子能量曲线的检测器)。长的聚焦长度可有助于减小所需磁场强度，从而减小磁螺线管及磁极片的大小。
虽然上文具体参考经配置以实施透射模式光电阴极的示范性EB检测器描述本发明，但上文描述的本发明的缩短聚焦距离及加速/减速方法还可结合反射模式光电阴极进行利用。如在背景技术部分中论述，利用反射模式光电阴极的EB检测器要求传感器偏离光轴，光沿所述光轴进入真空管腔室。因为传感器偏离反射模式配置中的光电阴极101B，所以需要偏转场来使光电子相对光(法向)轴偏转到传感器。为在有限管长度内实现大的离轴偏转，最好在光电阴极附近施加偏转力。然而，光电阴极区域已浸没在强的轴向对称加速电场中。将额外的金属偏转器电极插入到管真空空间中将对由用于产生轴向电场的圆形电极产生的场产生屏蔽效应，借此将大幅扰乱(改变)轴向电场，从而导致较低分辨率及更差的失真性能。
根据本发明的另一方面，如下文参考图5到7描述的示范性实施例中陈述，反射模式EB检测器通过利用新颖的环电极结构或新颖的磁场产生器以在不影响所要加速电场的情况下产生偏转场来解决屏蔽效应问题。
图5说明示范性反射模式EB检测器200B，其利用相应分段为多个区段(参见图6A及6B)的环电极EB1到EBn以产生偏转电场及轴向场两者，所述偏转电场具有足够强度以将光电子引导到偏离传感器104B，且所述轴向场在光电子到达传感器104B时使电子加速到所要着靶能量。类似于上文描述的透射模式实施例，EB检测器200B通常包含：真空管结构201B，其形成真空气密管腔室205B；光电阴极101B，其安置在腔室205B的第一端205-1B处；CCD或CMOS图像传感器104B，其安置在腔室205B的第二端205-1B处；环电极EB1到EBn，其安置在腔室205B内部且耦合到控制器220B以接收对应电压VB1到VBn(施加于每一环电极的个别区段的电压可经个别设置或控制，参见图6A及6B及下文的相关描述)；及磁场产生器210B，其产生对称磁场
真空管结构201B与结构201(参见图2)类似之处在于其包含经配置以界定圆柱形真空气密管腔室205B的圆柱形壁202B、第一端壁203B及第二端壁204B。真空管结构201B与结构201不同之处在于：照明窗206B(例如玻璃、光学晶体或透明塑料)安置在第二端壁204B上(即，腔室205B的第二端205-2B处)，使得沿光轴OA行进的光LLS被引导通过腔室205B到反射模式光电阴极205B，且传感器104B与光轴OA分隔开(偏离)(例如在圆柱形真空气密管腔室205B的中心轴X的相对侧上)。
环电极EB1到EBn经配置以通过施加适当电压于环电极EB1到EBn中的每一者的区段中的每一者而产生轴向加速电场(图5中由水平定向分量指示)及偏转电场分量(图5中由垂直定向分量指示)两者。偏转分量是由施加于单个环电极内的个别区段的电压之间的差而产生。轴向分量是由环电极的区段上的电压与邻近电极的区段上的电极之间的差而产生。在实施例中，施加于环电极EB1到EBn的个别区段的电压经选择以产生轴向分量所述轴向分量导致光电子随着其以类似于图3A中说明的方式的方式从光电阴极101B移动朝向传感器104B而单调地加速。在另一实施例中，施加于环电极EB1到EBn的个别区段的电压经选择以产生轴向分量所述轴向分量使得光电子随着其以类似于图4中说明的方式的方式从光电阴极101B移动朝向传感器104B而加速且接着减速。
图6A及6B是根据示范性实施例展示包含两个或多于两个电隔离弯曲区段的分段圆形电极结构的正视图。图6A展示包括在操作期间分别接收电压VB1A-1及VB1A-2的两个半圆(弯曲)区段EB1A-1及EB1A-2的环结构EB1A。通过配置控制器220B(图5)以施加不同电压于区段EB1A-1及EB1A-2(例如VB1A-1＝1500V且VB1A-2＝1400V)，环电极EB1A用作产生偏转电场分量的双极偏转器，所述偏转电场分量用于如由箭头指示那样使光电子向上(即，在图5中朝向传感器104B)偏转。图6B展示替代分段圆形电极结构EB1B，其包括6个弯曲区段，包含形成上部半圆部分的EB1B-11、EB1B-12及EB1B-13及形成下部半圆部分的EB1B-21、EB1B-22及EB1B-23。这些区段在操作期间分别接收电压VB1B-11到VB1B-23。通过施加稍微不同电压于每一半圆部分的中心及侧区段(例如，施加于区段EB1B-11的电压VB1B-11比施加于区段EB1B-12及EB1B-13的电压VB1B-12及VB1B-13更正，电压VB1B-12及VB1B-13又比施加于区段EB1B-22及EB1B-23的电压VB1B-22及VB1B-23更正，电压VB1B-22及VB1B-23又比施加于区段EB1B-21的电压VB1B-21更正)，结构EB1B用作产生偏转电场分量的六极偏转器，所述偏转电场分量用于如由箭头指示那样使光电子向上(即，在图5中朝向传感器104B)偏转。通过结合上文描述的电极操作利用一或多个分段圆形电极结构，分段圆形电极结构充当偏转器及环电极两者。
图5到7中说明的反射模式EB传感器不限于使用被划分为两个或六个相等面积的区段的环电极。例如将环电极划分为不相等面积的区段、将环电极划分为四个、八个或另一数目的区段的变化皆是上文提及的示范性实施例的可能替代。图6B中说明的环电极(其中与例如图6A中说明的双极设计相比，圆形环电极被划分为六段以充当六极偏转器及环电极两者)的优点是：六极偏转器设计中的偏转场比双极偏转器设计中的偏转场更均匀。更均匀偏转场可有助于减小图像像差，例如彗形像差及失真。图5中所展示的环电极EB1到EBn中的一或多者可被划分为多个区段以产生偏转电场。不同区段上的偏转偏压可相对于每一环电极电压浮动。施加于每一区段的不同电压可单独产生，或分压电阻器链可用于在不同区段(磁极片)上产生不同偏置电压。
图7说明示范性反射模式EB检测器200C，其利用安置在真空管结构201C与永久磁铁212C之间的多极磁偏转器线圈211C，其中多极偏转器线圈211C经配置以产生具有足够强度以引导光电子朝向传感器104C的偏转磁场(垂直于图页引导)。EB检测器200C还包含以上文参考图5描述的方式配置的光电阴极101C及如上文参考图2描述那样起作用的环电极E1到En。在一个实施例(未展示)中，多极偏转器线圈211C插入在真空管结构201C与螺线管之间。偏转器线圈211C是以产生平面外磁场的方式定位，借此离开光电阴极101C的光电子将向上偏转朝向传感器104C。与先前倾斜磁场设计相比，此设计中的磁螺线管仅需稍微大于用偏转器线圈缠绕的真空管。我们的设计中的磁极片的直径明显较小。如果磁极片直径较小，那么其需要较小的总磁通量来在真空管轴上产生相同磁场，这又可使磁螺线管更小。磁偏转器的设计在电子光学器件领域中是广为人知的。双极、四极、六极、八极及其它磁偏转器设计在此皆可使用。
图8说明根据本发明的另一示范性实施例的简化的大偏转角度的反射模式EB检测器200D。举例来说，当需要较大的偏转角度来提供足够空间给附接到传感器的相机电子器件时，利用EB检测器200D。一旦在光子照明LLS下从光电阴极101D发射光电子805，所述光电子805就将即刻由电子光学器件802加速到高电压且聚焦。电子光学器件802可包含静电透镜及/或磁透镜(例如，以上文参考图4描述的方式利用环电极E1到E3)。沿光电子805的路径，使用磁或静电偏转器或区段803以使光电子相对法向(光)轴偏转相对较大角度(例如，45°或更大)到光电阴极104D。磁偏转器803的简单示范性实施方案包含两个具有相反极性的永久磁铁板，其彼此紧靠放置在光电子路径的相对侧上。均匀的强磁偏转场可形成于间隙中。尽管图8中展示90°的示范性偏转角度，但使用相同设计还可能偏转到其它角度。一旦光电子偏转远离光轴OA，所述光电子就将在其着靶在CCD/CMOS传感器807上之前由电子光学器件806聚焦及减速。静电及/或磁透镜可用于形成电子光学器件806(例如利用根据上文参考图4描述的实施例的电极E4到En)。可具有沿光电子路径的一个或多个中间共轭平面。
如下文详细地描述，晶片、光罩及光掩模检验系统可有利地包含高分辨率高QE的EBCCD/EBCMOS检测器。图9A及9B中展示示范性实施方案的一个实施例。图9A说明包含照明系统901及收集系统910的表面检验设备900，其用于检验表面911的区域。如图9A中所展示，激光系统915经配置以引导光束902通过透镜903。透镜903经定向使得其主平面大体上平行于表面911，且因此照明线905形成于透镜903的焦平面中的表面911上。此外，光束902及聚焦光束904以非正交入射角被引导到表面911。特定来说，光束902及聚焦光束904可以与法向方向成介于大约1度与大约85度之间的角度被引导到表面911。以此方式，照明线905大体上在聚焦光束904的入射平面中。在一些实施例中，照明线可能近似1mm或2mm或几mm长及1μm、2μm或几μm宽。在一些实施例中，取代线聚焦，照明可被聚焦为一系列离散点。
收集系统910包含：透镜912，其用于收集散射自照明线905的光；及透镜913，其用于使源自于透镜912的光聚焦到装置(例如包含上文描述的控制装置的EBCCD检测器914)上。EBCCD检测器914的增益的动态调整在此种类的检验系统中是重要的，这是因为散射及衍射光级(及滤光片的效率)归因于晶片上的不同图案而可从晶片的一个区域到另一区域大幅改变。
在一个实施例中，EBCCD检测器914可包含检测器的线性阵列。在这些情况中，EBCCD检测器914内的检测器的线性阵列可经定向为平行于照明线915。在一个实施例中，可包含多个收集系统，其中收集系统中的每一者包含类似组件，但定向不同。举例来说，图9B说明用于表面检验设备的收集系统921、922及923的示范性阵列(其中所述表面检验设备的照明系统(例如类似于照明系统901)为简明起见而未展示)。2009年4月8日颁发且以引用方式并入本文的第7,525,649号美国专利更详细地描述检验系统901的某些方面。
图10说明包含多个EBCCD/EBCMOS检测器的另一暗场晶片检验系统1000。在系统1000中，照明光学器件1002接收由光源1001发射的光束。在一个实施例中，照明光学器件1002可包含提供大体上平行输出光束到折射光学元件的多个分束器及反射光学元件。所述折射光学元件又可使多道光束聚焦到样本1003上。
包含散射光收集器及其它元件(例如一或多个光圈、分束器、偏振元件及反射光学元件)的光学收集子系统1007可将从样本散射的光引导到两个图像检测器1006上。在一个实施例中，光学收集子系统1007可进一步包含折射光学元件1005，折射光学元件1005经配置以辅助光学收集子系统1007的其它组件使散射光成像到图像检测器1006上。在一个实施例中，图像检测器1006中的至少一者可包含上文描述的EBCCD/EBCMOS检测器。举例来说，在一个实施例中，一个检测器可针对大量光散射优化，而另一检测器可针对大体上低光散射优化。因此，在扫描的一些部分期间，光学元件可经配置以将散射光的一部分引导到针对大量光散射优化的一个图像检测器，且将散射光的另一不同部分引导到针对低光散射优化的不同图像检测器。2014年颁予赵国恒(Guoheng Zhao)等人的第2014/0009759 A1号美国专利公开案更详细地描述暗场晶片检验系统900。
应了解，前述描述仅为示范性及解释性的且并不定限制本发明。并入说明书中且构成说明书的部分的附图说明本发明的标的物。所述描述及图式一起用于解释本发明的原理。

Claims (21)

1.一种用于检测低光信号的电子轰击检测器，所述电子轰击检测器包括：
真空管结构，其界定具有第一端及相对第二端的圆柱形真空管腔室；
光电阴极，其安置在所述真空管腔室的所述第一端处，且包含响应于所述低光信号发射光电子的材料；
传感器，其安置在所述真空管腔室的所述第二端处且经配置以接收至少一些所述所发射的光电子，且响应于所述所接收的光电子产生电信号；
多个环电极，其安置在所述真空管腔室中，每一所述环电极经配置以响应于所施加的电压产生电场，所述电场使所述所发射的光电子朝向所述真空气密腔室的所述第二端加速；
磁场产生器，其安置成邻近所述真空管结构且经配置以在所述真空气密腔室中产生对称磁场，使得所述对称磁场施加聚焦透镜效应于所述经加速的光电子上；及
控制器，其经配置以将所述所施加的电压传输到所述多个环电极，使得所述光电阴极周围的所述电极上的所述所施加的电压经调整以补偿电子光学像差，
其中所述电子轰击检测器经配置使得由所述传感器接收的所述光电子具有低于2keV的着靶能量。
2.根据权利要求1所述的电子轰击检测器，
其中所述真空管结构经配置使得所述圆柱形管腔室的半径大于所述光电阴极与所述传感器之间的距离，
其中所述磁场产生器包括螺线管，且
其中所述控制器经进一步配置以施加3安培或更小的偏压电流于所述螺线管，且经配置以施加循序增大电压于所述多个环电极，使得所述电场在所述传感器处小于0.1kV/mm。
3.根据权利要求1所述的电子轰击检测器，
其中所述多个环电极包含邻近所述真空管腔室的所述第一端安置的两个或多于两个第一环电极，及邻近所述真空管腔室的所述第二端安置的两个或多于两个第二电极，且
其中所述控制器经进一步配置以施加循序增大电压于所述第一电极，使得所述光电子在所述真空管腔室内加速到峰值能量，所述控制器还经配置以施加循序减小电压于所述第二电极，使得所述光电子在到达所述传感器处之前，从所述峰值能量减速到所述着靶能量。
4.根据权利要求1所述的电子轰击检测器，其进一步包括窗，所述窗安置在所述第二端处，使得在光轴上行进的光被引导到所述光电阴极上，其中所述传感器与所述光轴分隔开，且其中所述多个环电极及所述磁场产生器中的至少一者经配置以产生偏转场。
5.根据权利要求4所述的电子轰击检测器，
其中所述环电极中的一或多者包括分段圆形电极结构，所述分段圆形电极结构包含多个电隔离弯曲区段，且
其中所述控制器经配置以施加不同电压于所述多个电隔离弯曲区段的每一弯曲区段，使得所述分段圆形电极结构产生足以将光电子引导朝向所述传感器的偏转电场。
6.根据权利要求5所述的电子轰击检测器，
其中所述分段圆形电极结构包括第一半圆区段及第二半圆区段，且
其中所述控制器包含用于施加第一电压于所述第一半圆区段且施加第二电压于所述第二半圆区段使得所述分段圆形电极结构形成双极偏转器的构件。
7.根据权利要求5所述的电子轰击检测器，
其中所述分段圆形电极结构中的所述一或多者包括六个或多于六个弯曲区段，且
其中所述控制器包含用于施加不同电压于所述六个或多于六个弯曲区段中的每一者使得所述分段圆形电极结构形成多极偏转器的构件。
8.根据权利要求4所述的电子轰击检测器，其进一步包括安置在所述真空管结构与所述永久磁铁之间的多极偏转器线圈，所述多极偏转器线圈经配置以产生足以将光电子引导朝向所述传感器的偏转磁场。
9.根据权利要求4所述的电子轰击检测器，其进一步包括静电偏转器及磁偏转器中的一者，所述偏转器经配置以使所述光电子相对所述光电阴极与所述传感器之间的所述光轴偏转达30度或更大的角度。
10.根据权利要求1所述的电子轰击检测器，其中所述传感器包括电荷耦合装置CCD图像传感器及CMOS图像传感器中的一者。
11.根据权利要求1所述的电子轰击检测器，其中所述传感器经配置以执行时延积分。
12.根据权利要求1所述的电子轰击检测器，其中所述传感器包括薄型背照式CMOS及薄型背照式CCD传感器中的一者。
13.根据权利要求1所述的电子轰击检测器，其中所述传感器包括其表面上的硼涂层。
14.根据权利要求1所述的电子轰击检测器，其中所述光电阴极包括(a)一或多种碱基材料、(b)GaN、(c)GaAs及(d)CsTe中的至少一者。
15.一种用于操作用于检测低光信号的电子轰击检测器的方法，所述电子轰击检测器包含：
真空管结构，其界定具有第一端及相对第二端的圆柱形真空管腔室；
光电阴极，其安置在所述真空管腔室的所述第一端处且包含响应于所述低光信号发射光电子的材料；及
传感器，其安置在所述真空管腔室的所述第二端处且经配置以接收至少一些所述所发射的光电子，且响应于所述所接收的光电子产生电信号，所述方法包括：
施加循序增大电压于安置在所述真空管腔室中且位置邻近所述真空管腔室的所述第一端的多个第一环电极，借此所述多个第一环电极产生加速电场，所述加速电场致使所述所发射的光电子在所述真空管腔室内加速到峰值能量；以及
施加循序减小电压于安置在所述真空管腔室中且位置邻近所述真空管腔室的所述第二端的多个第二环电极，借此所述多个第二环电极产生减速电场，所述减速电场致使所述所发射的光电子在到达所述传感器之前从所述峰值能量减速到着靶能量。
16.根据权利要求15所述的方法，
其中施加所述循序增大电压包括将所述所发射的光电子的能量增大到高于10keV，且
其中施加所述循序增大电压包括将所述所发射的光电子的所述能量减小到低于2keV。
17.根据权利要求15所述的方法，
其进一步包括在所述所发射的光电子到达所述传感器之前，使所述所发射的光电子远离所述圆柱形真空管腔室的法向轴偏转。
18.根据权利要求17所述的方法，其中偏转所述所发射的光电子包括：使用缠绕在所述真空管结构周围且放置在螺线管磁极片内部的磁偏转器产生均匀磁偏转场。
19.根据权利要求17所述的方法，
其中所述电子轰击检测器进一步包括安置在所述圆柱形真空管腔室中的一或多个分段圆形电极结构，每一所述一或多个分段圆形电极结构包含多个电隔离弯曲区段，且
其中偏转所述所发射的光电子包括施加不同偏置电压于每一所述一或多个分段圆形电极结构的每一弯曲区段。
20.根据权利要求15所述的方法，其进一步包括在所述所发射的光电子加速到所述峰值能量之后，且在所述光电子从所述峰值能量减速到所述着靶能量之前，使所述所发射的光电子相对所述圆柱形真空管腔室的光轴偏转达30度或更大的角度。
21.一种暗场检验系统，其包含：
电子轰击检测器；及
光学系统，其经配置以将光引导到被检验的样本，且经配置以从所述样本收集散射光并将所述所收集的光引导到所述电子轰击检测器，
其中所述电子轰击检测器包括：
真空管结构，其界定具有第一端及相对第二端的圆柱形真空管腔室；
光电阴极，其安置在所述真空管腔室的所述第一端处且包含响应于所述所收集的光发射光电子的材料；
传感器，其安置在所述真空管腔室的所述第二端处且经配置以接收至少一些所述所发射的光电子，且响应于所述所接收的光电子产生电信号；
多个环电极，其安置在所述真空管腔室中，每一所述环电极经配置以响应于所施加的电压产生电场，所述电场使所述所发射的光电子朝向所述真空气密腔室的所述第二端加速；
磁场产生器，其邻近所述真空管结构安置且经配置以在所述真空气密腔室中产生对称磁场，使得所述对称磁场施加聚焦透镜效应于所述经加速光电子上；及
控制器，其经配置以将所述所施加的电压传输到所述多个环电极，使得所述光电阴极周围的所述电极上的所述所施加的电压经调整以补偿电子光学像差，
其中所述电子轰击检测器经配置使得由所述传感器接收的所述光电子具有低于2keV的着靶能量。
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